DE4301614C1

DE4301614C1 - Liq. propellant-fuelled missile storage - involves propellant modification to form electro-rheological fluid or liq. crystalline phase

Info

Publication number: DE4301614C1
Application number: DE19934301614
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Kellerer; Hermann Zeltner; Georg Dipl Ing Wachinger; Hans-Ludwig Dipl Ing Besser
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1993-01-22
Filing date: 1993-01-22
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2013-01-23
Also published as: GB9401017D0; FR2700842A1; GB2274851A

Abstract

Process of storing missiles filled with liquid fuel and propelled by at least one rocket engine wherein the liquid fuel is modified in such a manner that it forms an electro-rheological fluid and is reversibly solidified for the duration of storage by application of an electrical alternating voltage, or the liquid fuel is modified in such a manner that it comprises a liquid crystalline phase, the lower temperature limit of which lies below the lowest fuel temperature which can be expected during operation of the missile, and that it is reversibly solidified for the duration of storage by heat extraction.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lagerung von mit mindestens ei nem Flüssigtreibstoff betankten Flugkörpern mit Antrieb durch mindestens ein Raketentriebwerk, insbesondere durch ein Raketen-Staustrahltriebwerk.The invention relates to a method for the storage of at least egg In liquid fuel refueled missiles powered by at least a rocket engine, in particular by a rocket ramjet engine.

Bei Raketenantrieben für innerhalb der Atmosphäre einzusetzende Flugkör per wird bevorzugt das Staustrahlprinzip verwendet, da bei diesem Ver fahren der für die Verbrennung benötigte Oxidator weitestgehend in Form von Luftsauerstoff der Umgebung entnommen werden kann und somit nicht im Flugkörper mitgeführt zu werden braucht. Der Brennstoff, in fester oder flüssiger Form, enthält selbst einen gewissen Anteil an Oxidator, wel cher für eine sichere Zündung und einen stark unterstöchiometrischen Ab brand ausreicht, wobei die vollständige Verbrennung dann mit Luftsauer stoff erfolgt. Zur Anpassung an wechselnde Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) sowie an unterschiedliche Flugphasen (Start, Marschflug, Angriff etc.) ist eine Regelung des Schubes über den Treibstoffdurchsatz erforderlich. Flüssigtreibstoffe haben hier gegen über Festtreibstoffen den Vorteil der besseren Regelbarkeit (Ventile etc.) Die Lagerung von mit Flüssigtreibstoffen betankten Flugkörpern ist jedoch mit erhöhtem Risiko verbunden, vor allem bei der schiffsgestütz ten Verwendung. Durch auslaufenden Treibstoff nach Beschuß können be nachbarte Bereiche gefährdet, Brände verbreitet, und detonationsfähige Gemische aus Treibstoffdampf und Luft gebildet werden.In rocket engines for in-atmosphere missiles By preference, the ramjet principle is used because in this Ver drive the required for the combustion oxidizer largely in the form can be taken from atmospheric oxygen of the environment and thus not in the Missile needs to be carried. The fuel, in solid or liquid form, itself contains a certain proportion of oxidizer, wel For a safe ignition and a strong substoichiometric Ab fire is sufficient, with complete combustion then with air-acid fabric takes place. To adapt to changing environmental conditions (pressure, Temperature, humidity, etc.) as well as to different flight phases (Start, cruise, attack, etc.) is a scheme of thrust over the Fuel throughput required. Liquid fuels have here against About solid fuels the advantage of better controllability (valves etc.) The storage of liquid fuel fueled missiles is however associated with increased risk, especially in the ship use. By leaking fuel after bombardment can be neighboring areas endangered, fires spread, and detonable Mixtures of fuel vapor and air are formed.

Durch Sedimentationserscheinungen während der Lagerung von Flüssigtreibstoffen können sich Inhomogenitäten mit der Folge unkalkulierbarer Ab brandeigenschaften ergeben.Sedimentation during storage of liquid fuels may be inhomogeneities with the consequence incalculable Ab Brand properties revealed.

Die genannten Nachteile ließen sich vermeiden, wenn es gelänge, die Flüssigtreibstoffe für die Dauer der Lagerung in einen weitgehend festen Zustand zu überführen. Dies wäre beispielsweise durch extremes Tiefküh len bis unter den Erstarrungspunkt (Schmelzpunkt) möglich. Der techni sche und energetische Aufwand für ein solches Verfahren wäre jedoch viel zu hoch, so daß eine derartige Lösung bereits aus ökonomischen Gründen ausscheidet. Es ist auch zu beachten, daß in einem überraschenden Ein satzfall die Treibstoffverflüssigung möglichst schnell vonstatten gehen muß, was bei der genannten Methode der Tiefkühlung vermutlich nicht der Fall wäre.The disadvantages mentioned could be avoided if it were possible, the Liquid fuels for the duration of storage in a largely solid State to convict. This would be for example by extreme Tiefküh len until below the freezing point (melting point) possible. The techni However, the energy and expense of such a procedure would be great too high, so that such a solution already for economic reasons excretes. It should also be noted that in a surprising one case fuel liquefaction go as quickly as possible must, what in the mentioned method of freezing probably not the Case would be.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mindestens ein Verfahren zur Lagerung von mit mindestens einem Flüssigtreibstoff betankten Flug körpern anzugeben, welches bei vertretbarem technischen und energeti schen Aufwand eine sichere und problemlose Lagerung sowie eine schnelle Herstellung der Einsatzbereitschaft gewährleistet.Thus, the invention is based on the object, at least one method for the storage of at least one liquid fuel fueled flight indicate bodies that are of reasonable technical and energetic a safe and trouble-free storage and a fast Guaranteed production of operational readiness.

Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch sowie das im Nebenanspruch (Anspruch 2) gekennzeichnete Verfahren gelöst.This task is by the main claim and the secondary claim (Claim 2) characterized method solved.

Die Unteransprüche 3 bis 5 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Ver fahren nach Anspruch 1 und 2, wobei z. B. nach Anspruch 3 auch eine Kom bination beider Verfahren möglich ist.The dependent claims 3 to 5 contain preferred embodiments of Ver Drive according to claim 1 and 2, wherein z. B. according to claim 3, a com Bination of both methods is possible.

Die erste Lösung sieht vor, den Flüssigtreibstoff so zu modifizieren, daß er ein elektrorheologisches Fluid bildet. Auf diese Weise läßt er sich durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Wechselspannung in nerhalb von Sekundenbruchteilen reversibel zu einer gelartig festen Mas se umwandeln. Die Verflüssigung kann im Einsatzfall etwa ebenso schnell erfolgen. Die elektrische Spannung muß während der Lagerzeit aufrechter halten werden, so daß ständig eine gewisse Energiezufuhr erforderlich ist. Die benötigten Energiemengen halten sich jedoch in vertretbaren Grenzen.The first solution is to modify the liquid fuel so that it forms an electrorheological fluid. In this way he lets by applying a high-frequency electrical AC voltage in within fractions of a second reversible to a gel-like Mas transform it. The liquefaction can be about as fast in the application respectively. The electrical voltage must be upright during the storage time hold, so that constantly requires a certain amount of energy is. The required amounts of energy, however, are reasonable Limits.

Die zweite Lösung sieht vor, den Flüssigtreibstoff so zu modifizieren, daß er in einem definierten Temperaturintervall eine flüssigkristalline Phase aufweist. Die untere Temperaturgrenze dieser Phase, d. h. der Er starrungs- bzw. Schmelzpunkt sollte unterhalb der niedrigsten, beim Ein satz zu erwartenden Treibstofftemperatur liegen. Auf diese Weise läßt sich der Treibstoff ausgehend vom flüssigen Zustand durch Wärmeentzug über den flüssigkristallinen reversibel in den festen Zustand überfüh ren. Die abzuführenden Wärmemengen sind dabei wesentlich geringer als bei nichtmodifizierten Flüssigtreibstoffen ohne flüssigkristalline Pha se. Falls der Erstarrungs- bzw. Schmelzpunkt unter der Umgebungstempera tur liegt, muß zur Verfestigung sowie über die Dauer der Lagerung ge kühlt werden, wobei neben der kontinuierlichen auch eine intermittieren de Arbeitsweise möglich sein sollte. Die Umwandlung fest/flüssig und um gekehrt erfolgt hier langsamer als bei der elektrorheologischen Lösung.The second solution is to modify the liquid fuel so that in a defined temperature interval it is a liquid-crystalline Phase has. The lower temperature limit of this phase, d. H. He Stiff or melting point should be below the lowest, at Ein set expected fuel temperature. That way The fuel from the liquid state by heat extraction About the liquid crystalline reversible in the solid state überfüh ren. The dissipated amounts of heat are much lower than for unmodified liquid fuels without liquid crystalline Pha se. If the solidification or melting point below the ambient temperature must be ge for solidification and the duration of storage ge be cooled, in addition to the continuous intermittent one de work should be possible. The transformation solid / liquid and around swept is slower here than in the electrorheological solution.

Die Erfindung wird nachstehend noch näher erläutert.The invention will be explained in more detail below.

Flüssigtreibstoffe für Staustrahl -Raketentriebwerke haben typischerweise folgende Zusammensetzung:Liquid fuels for ramjet rocket engines typically have following composition:

Binder|10-25%Binder | 10-25% Metallemetals 0-50%0-50% Oxidatoroxidizer 0-40%0-40% Additiveadditives 0-20%0-20%

Somit hat man die Möglichkeit, eine, mehrere oder alle der Treibstoffbe standteile gezielt zu modifizieren. Dabei sollen die Vorteile der Flüs sigtreibstoffe gegenüber Festtreibstoffen, nämlich die bessere Regelbar keit im niedrigviskosen, flüssigen Zustand, sowie der meist höhere Energiegehalt, möglichst uneingeschränkt beibehalten werden.Thus one has the possibility of one, several or all of Treibstoffbe specifically to modify components. In doing so, the advantages of the liquids propellants compared to solid propellants, namely the better controllable low-viscosity, liquid state, as well as the usually higher energy content, be retained as fully as possible.

Electro-rheological effect (ER effect)

Elektrorheologische Flüssigkeiten (ER-Fluids) sind kolloidale Suspensio nen mit bemerkenswerten Eigenschaften. Durch Anlegen einer hochfrequen ten elektrischen Wechselspannung läßt sich ihre Viskosität vom flüssigen bis hin zum gelartig festen Zustand kontinuierlich erhöhen, wobei sich das Maß der Viskositätserhöhung, d. h. der Verfestigung, direkt über die Höhe der zugeführten elektrischen Energie steuern läßt. Infolge der ex trem kurzen Reaktionszeiten von ER-Fluids kann man durch plötzliche, ho he elektrische Energiezufuhr einen schlagartigen Übergang vom flüssigen zum festen Zustand erzielen. Der umgekehrte Vorgang erfolgt vergleichbar schlagartig bei Unterbrechung der Energiezufuhr. Die Zustandsänderungen sind vollständig reversibel und können somit beliebig oft erfolgen. Electrorheological fluids (ER fluids) are colloidal suspensio with remarkable properties. By applying a high-frequency th AC voltage can be their viscosity from the liquid continuously increase to the gel-like solid state, taking up the degree of viscosity increase, d. H. the solidification, directly over the Controlling the amount of electrical energy supplied. As a result of the ex tremely short reaction times of ER fluids can be achieved by sudden, ho he electric energy supply a sudden transition from the liquid to achieve a solid state. The reverse process is similar abruptly when the power supply is interrupted. The state changes are completely reversible and can be done as often as you like.

In Bezug auf Flüssigtreibstoffe müßte ein Viskositätsbereich von weniger als ca. 1000 mPas bis über ca. 100 000 mPas elektrorheologisch reali sierbar sein.With regard to liquid fuels, a viscosity range of less would have to as about 1000 mPas up to about 100 000 mPas electorheologically reali be sierbar.

Liquid crystalline effect (LC effect)

Es handelt sich bei flüssigkristallinen (Liquid Crystal, LC) Monomeren und Polymeren weniger um konkrete Stoffarten als vielmehr um Stoffe mit bestimmten Zuständen. Flüssigkristalline Stoffe sind organische Materia lien, welche zwischen dem festen, kristallinen Zustand und dem flüssi gen, isotropen Zustand eine flüssigkristalline Phase aufweisen, in der die Stoffe de facto eine anisotrope Flüssigkeit bilden. Die Anisotropie ist bedingt durch eine regelmäßige Ausrichtung der Moleküle, welche aber noch wie in einer Flüssigkeit relativ frei beweglich sind. Voraussetzung für das Entstehen solcher flüssigkristalliner Phasen ist eine längliche Gestalt der Moleküle, wobei man je nach Ausrichtung noch mehrere Unter phasen unterscheiden kann. In diesem Zusammenhang treten auch optische Effekte auf, welche elektrisch beeinflußbar sind.These are liquid crystal (LC) monomers and polymers less with specific types of fabrics than with fabrics certain states. Liquid crystalline substances are organic matter Lien, which between the solid, crystalline state and the liquid gen, isotropic state have a liquid crystalline phase, in the the substances actually form an anisotropic liquid. The anisotropy is due to a regular orientation of the molecules, but which still relatively free to move as in a liquid. requirement for the emergence of such liquid crystalline phases is an elongated Shape of the molecules, whereby one depending on orientation still several sub phases can differ. In this context also occur optical Effects on which are electrically influenced.

Für die vorliegende Erfindung ist von Bedeutung, daß die flüssigkristal line Phase durch geeignete Auswahl des LC-Stoffes in den Bereich übli cher Umgebungstemperaturen oder wenig darunter gelegt werden kann. Die Phasenumwandlungspunkte fest/flüssigkristallin (Schmelz bzw. Erstar rungspunkt) und flüssigkristallin/flüssig (Klärpunkt) sind dann, falls es sich um sogenannte thermotrope Stoffe handelt, nur von der Temperatur abhängig.For the present invention is important that the liquid crystal line phase by appropriate selection of the LC substance in the range übli ambient temperatures or a little lower. The Phase transition points solid / liquid crystalline (enamel or solid point) and liquid-crystalline / liquid (clearing point) are then, if they are so-called thermotropic substances, only on the temperature dependent.

Bei Flüssigtreibstoffen ist es sinnvoll, den Schmelz- bzw. Erstarrungs punkt nur wenig unter die tiefste, im Einsatzfall zu erwartende Treibstofftemperatur zu legen, um nicht bis zu unnötig tiefen Temperaturen abkühlen zu müssen.For liquid fuels, it makes sense to melt or solidify point only slightly below the lowest fuel temperature to be expected during so as not to unnecessarily low temperatures to cool down.

Flüssigkristalline Stoffe haben die bemerkenswerte Eigenschaft, daß für den Phasenwechsel von flüssig bis fest und umgekehrt nur sehr geringe Wärmemengen ab- bzw. zugeführt werden müssen. Je nach Einsatztemperatur des Treibstoffes kann die gewählte Erstarrungstemperatur über, bei oder unter Umgebungstemperatur liegen, wobei im ersten Fall eine geringe Wär mezufuhr für die Verflüssigung (Einsatzbereitschaft), im letzten Fall eine Kühlung mit wenig Energieaufwand für die Verfestigung (Lagerung) ausreicht.Liquid crystalline substances have the remarkable property that for the phase change from liquid to solid and vice versa only very small Heat quantities must be removed or supplied. Depending on the application temperature of the fuel can be the selected solidification temperature over, at or are below ambient temperature, wherein in the first case a low heat for the liquefaction (operational readiness), in the latter case a cooling with little energy expenditure for solidification (storage) sufficient.

Auf Tief- und Tiefstkühlverfahren mit enormem apparativem und energeti schem Aufwand kann jedenfalls vollständig verzichtet werden.On deep and deep freezing process with enormous equipment and energeti In any case, the expense can be completely dispensed with.

Ein weiterer Vorteil von LC-modifizierten Flüssigtreibstoffen ist darin zu sehen, daß deren Viskosität im flüssigen Zustand meist um ca. 25-50% niedriger ist als diejenige von konventionellen, isotropen Po lymeren.Another advantage of LC-modified liquid fuels is therein to see that their viscosity in the liquid state usually by approx. 25-50% lower than that of conventional, isotropic Po lymeren.

Ansatzmöglichkeiten für eine LC-Modifikation ergeben sich vorzugsweise Über die in Flüssigtreibstoffen enthaltenen Binder (10-25%) und Addi tive (0-20%).Approaches for a LC modification arise preferably About the binders contained in liquid fuels (10-25%) and Addi tive (0-20%).

Wie bereits erwähnt, kann auch eine kombinierte ER- und LC-Modifikation sinnvoll sein.As already mentioned, a combined ER and LC modification can also be used make sense.

Claims

A method of storing missiles fueled with at least one liquid propellant propelled by at least one rocket engine, in particular a rocket jet engine, characterized in that the liquid propellant or each of the liquid propellants is modified to form an electrorheological fluid Liquid fuel is reversibly solidified approximately at the beginning of the storage of the missile by applying an alternating electrical voltage, and that the solidified state is maintained by maintaining the voltage during storage.

2. Method according to the preamble of claim 1, characterized marked records that the liquid fuel or each of the liquid fuels is modified so that it ei in a defined temperature interval ne liquid crystalline phase, whose lower temperature limit (Melting point, solidification point) below the lowest, when used the missile expected fuel temperature is that the liquid fuel at the beginning of the storage of the missile by heat deprivation is reversibly solidified, and that the solidified state storage is maintained.

3. Process according to claims 1 and 2, characterized in that that the liquid fuel or each of the liquid fuels so modifi is decorated that he forms an electrorheological fluid and a flüs has sigkristalline phase, and that the reversible solidification for Storage via electrorheological and liquid crystalline effects is reached.

4. The method according to claim 1 or 3, characterized in that for modification of the liquid fuel, the fuel components (Binder, metals, oxidizer, additives) by modification at least ei of a constituent, so that in their Ge to form an electrorheological fluid, or that each individual Fuel component is adjusted as an electrorheological fluid.

5. The method according to claim 2 or 3, characterized in that for modification of the liquid fuel, the binder contained therein and / or the additives are adjusted so that in the liquid fuel a liquid crystalline phase is obtained.